偏振小课堂【第二期】光的偏振

第二期：

上一期我们说到偏振的研究历史，那么在本期栏目中，我们重点了解一下偏振光是什么？它是如何形成的？它是如何被检测出来的？以及偏振光可以有哪些应用。

什么是偏振光？

通过上期文章，我们知道偏振光(Polarization)，是光学名词。光是一种重要的自然现象，光波属于横波，即光矢量与光波传播方向垂直。光波在与传播方向垂直的二维空间中，振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，也就是偏振光。

偏振光的分类

偏振光按照其性质,分为完全偏振光和部分偏振光，完全偏振光又可分为线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光几种。

线偏振光

光矢量端点的轨迹为直线，即光矢量只沿着一个确定的方向振动，其大小随相位变化、方向不变，称为线偏振光。

椭圆偏振光

光矢量端点的轨迹为一椭圆，即光矢量不断旋转，其大小、方向随时间有规律的变化。

圆偏振光

光矢量端点的轨迹为一圆，即光矢量不断旋转，其大小不变，但方向随时间有规律地变化。

偏振光的主要形成方式

当非偏振光束照射到物体表面会形成反射，产生偏振光，而且不同物质由于其物理属性和结构的不同(例如粗糙度、含水量、构成材料的物理特性等），在光的照射下也会形成性质不同的偏振光。另外根据基尔霍夫理论，热辐射也表现出偏振效应。所以地球表面和大气中的任何目标，在反射和发射电磁辐射的过程中都会产生由他们自身性质和光学基本定律决定的偏振光。

如何检测偏振光

横波的偏振方向可以通过“检偏器”检测出来，例如对于绳波来说，我们可以制作下图所示的“狭缝”来检测偏振方向。当“检偏器”方向（即狭缝方向）与绳波偏振方向一致时，绳波可以很顺利的通过；但“检偏器”方向与绳波方向相互垂直时，绳波无法通过。光学上也有类似的“检偏器”，叫做“偏振镜”，可以让特定偏振方向的光波通过，只是原理会复杂一些，但效果上与检测绳波振动方向的狭缝是一样的。

偏振光能做什么？

通过偏振光的形成方式，我们知道，偏振光蕴含着丰富的目标和环境信息。例如，金属材料和非金属材料对偏振光的反射响应具有极大的差别，物理特性相近的不同物体，也会因为表面的粗糙程度不同进而引起漫散射程度存在差异，导致其反射光偏振响应也具有较大的不同。据此，我们可以利用偏振光的特性进行广泛的应用，这里介绍几种关注度比较高的用途。

• 透明物体应力检测

当偏振光通过透明物体时，被测物体内部不同区域的应力会影响透过被测物的偏振光，通过偏振相机输出的偏振度或者偏振角信息，可以实时显示内部应力分布。

• 去除反光

去除物体表面的反光是偏振成像的典型应用之一。因为反射光是偏振光，通过偏振片可以有选择地让某个方向振动的偏振光通过，克服玻璃、塑料和金属等反光表面产生的多余光线、反射、朦胧和眩光影响。

• 表面缺陷检测

当物体的表面出现缺陷时，其表面的平整度、纹理构造等，均会产生偏振度（DOP）信息变化，通过对物体表面偏振度信息的区别，可以提取大量的图像信息，很容易识别出被测物体表面的相应缺陷信息。

• 探测与识别

对于低对比度、背景伪装和视觉难以察觉的目标，由于目标的表面材质与背景差异巨大，我们可以利用不同材质物体的偏振信息的不同，通过偏振相机输出的AOP信息，轻易地识别出探测目标。

 偏振透雾

面对雨、雪、雾、霾等复杂天气带来的能见度低、模糊不清等问题，可以利用目标信息光与背景散射光存在的偏振差异性，通过偏振信息重构算法，实现实时透视清晰成像。

未完待续

由于偏振光的用途十分广泛，本文只列举了几种相对常见的用途。为了更好地利用和研究偏振光，偏振相机应运而生，它大大提高了偏振光的实际应用范围。在下期栏目中，我们将重点展示偏振相机如何与机器视觉相结合，针对视觉智能场景进行应用，下一期栏目我们再会。